Un nuovo protocollo di caratterizzazione delle interazioni meccaniche tra il terreno e una protesi tibiale per il salto in lungo

Jan 25, 2024

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5226 (2023) Citare questo articolo

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Lo studio meccanico delle Running Specific Protheses (RSP) è spesso limitato alla lama. Il setup sviluppato e presentato qui è un semplice esperimento, basato su una macchina per prove meccaniche e una telecamera, che valuta due indicatori rilevanti per allenatori e atleti nel campo dell'atletica: rigidità secante e dissipazione di energia. Viene valutata l'influenza di quattro parametri sul comportamento globale della protesi: l'offset della linea di carico, l'angolo protesi-terreno, il tipo di suola e il tipo di pavimentazione. Lo spostamento della linea di carico e il tipo di pavimentazione hanno poca o nessuna influenza sul loro comportamento. L’angolo protesi-terreno incide sulla rigidità: un aumento dell’angolo comporta una significativa diminuzione della rigidità, che incide fortemente sulle prestazioni. La tipologia della suola modifica la cinematica di interazione della punta della pala con il terreno. Tuttavia, è meno probabile che questo effetto migliori la pratica sportiva poiché l'atletica impone l'uso dei chiodi. Le immagini della telecamera consentono di valutare il comportamento locale della suola, consentendo così di seguirne la deformazione durante il processo di compressione.

Nonostante la difficoltà di reperire dati accurati sul numero degli amputati, un recente studio1 stima che 65 milioni di persone nel mondo vivano con amputazioni degli arti dovute esclusivamente a cause traumatiche e tumorali. Tra questi, almeno 35,3 milioni hanno un'amputazione degli arti inferiori che rende necessario l'uso di un dispositivo protesico. Un altro studio2 stima che nel 2012, tra le amputazioni degli arti inferiori, il 60% ha un'amputazione transtibiale, pari a circa 21,2 milioni di persone. Tutte queste persone hanno bisogno delle loro protesi per tutte le attività della vita quotidiana.

Negli ultimi decenni, i miglioramenti nella progettazione delle protesi per la vita quotidiana hanno permesso alla maggior parte di queste persone di ritrovare una vita normale dopo l’amputazione. Inoltre, i progressi nel campo dei materiali compositi negli anni ’80 hanno notevolmente migliorato la progettazione delle protesi specifiche per lo sport e hanno consentito a un numero maggiore di amputati di accedere allo sport3 e di migliorare le proprie prestazioni.

Le protesi utilizzate nell'atletica per l'amputazione degli arti inferiori sono chiamate Running Specific Prosthesis (RSP). A loro sono dedicate ricerche approfondite che vanno dalla differenza dei gesti sportivi tra livelli di amputazione4 o tra atleti olimpici e paralimpici5 al comportamento delle protesi e all'interazione tra protesi e arto6.

Osservando più da vicino le RSP tibiali (amputazione sotto il livello del ginocchio), possiamo definire tre parti diverse: l'invasatura, la lama e la suola (vedi Fig. 1a). Il primo permette il collegamento con l'arto dell'atleta, il secondo immagazzina e rilascia l'energia per andare avanti e l'ultimo realizza il collegamento con il suolo. La pala è il corpo principale degli RSP ed è oggi costituita da un unico pezzo di fibra di carbonio che agisce come una molla (vedi Fig. 1b). La suola regola la presa al suolo e la rotazione della pala attorno al punto di contatto. Poiché nessuna cerniera svolge il ruolo della caviglia, solo la forma della punta della pala abbinata alla suola permette all'atleta di avanzare.

(a) I vari componenti degli RSP e la linea di carico (estensione dell'asse della tibia). (b) Modello molla-massa utilizzato in letteratura per la rigidità della gamba e/o della protesi (TD per l'atterraggio del passo e TO per il decollo).

La presa è totalmente personale e ben studiata da équipe mediche e biomeccaniche da almeno 20 anni7. La questione principale nella sua progettazione è trovare la forma adatta a ciascun atleta o paziente8,9 per garantire comfort ed evitare il rischio di lesioni. A tale scopo, viene solitamente studiata la ripartizione della pressione sul moncone e vengono sviluppati diversi sensori o metodi per ottimizzare la forma e i materiali dell'invasatura10,11,12.

Per scegliere la pala più adatta ad un atleta per la prestazione, i produttori propongono categorie di rigidità consigliate in base alla massa corporea e alla distanza della corsa (lunga distanza o sprint). Questa scelta resta comunque un suggerimento del produttore poiché dipende fortemente dal livello di pratica e da tutti gli altri parametri che gli atleti possono regolare da soli. Ad esempio, la linea di carico (vedi Fig. 1a) è un parametro definito dai protesisti. Lo usano per posizionare la lama rispetto alla presa. La linea di carico corrisponde all'asse della tibia ed è destinata ad intersecare un punto specifico sulla punta della lama. Questa impostazione dipende dalla forma della lama ed è specificata dal produttore. Viene somministrato per aiutare l'andatura dell'atleta ad essere in equilibrio con la gamba buona. Ma la linea di carico è anche un parametro di prestazione che definisce l'area della pala a contatto con il terreno a riposo e gli atleti possono regolarla per cercare di migliorare le proprie prestazioni.